舊調重彈
——“用教材教” 讓學科核心素養落地——以“交變電流”為例

肖建華

(江蘇省太倉高級中學，江蘇 太倉 215411)

物理學科的核心素養是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質,是學生科學素養的關鍵成分．新課程標準認為物理學科核心素養是由“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”和“科學態度與責任”組成．在教育理念不斷更新、教育模式競相登臺的今天,重提“用教材教”似乎有點不合時宜,屬于舊調重彈．面對層出不窮的新理念新模式,教育工作者更要保持一份理智和理性,要尊重常識傳承常識．如何“用教材教”就是一個永遠值得研究也研究不完的課題,具有永恒的價值．

“教教材”和“用教材教”是兩種截然不同的教材觀．“教”教材,考慮的出發點是傳授,是強調如何把書本知識傳遞給學生,是以知識為本位的;用教材“教”,立足點是放在學習對象身上,注重教學行為與學習行為的同步相諧,是以學生為本位的,注重知識傳授中的能力培養．前者是教書,后者是教人．有些教師對“用教材教,而不是教教材”這一觀點,認識上出現了偏差,甚至干脆撇開教材．教材上的實驗不用,例題習題不用,自己信手編寫,概念的敘述不嚴謹,規律的推導不流暢,破壞了教材的完整體系和敘述結構．那么,如何根據學生的實際能力和認知水平,駕馭教材,活用教材,賦教材以活力,使教材豐滿起來,充滿靈性,更好地落實物理學科核心素養呢?下面以人教版《物理》選修3-2中第5章“交變電流”第1節“交變電流”為例,展示筆者對“用教材教”讓物理學科核心素養落地的嘗試與思考．

1 情境的設置

引入課題時教材設置了兩個實驗情境．演示實驗1:用電壓傳感器(或電流傳感器)觀察電池提供的電壓(或電流)和學生電源交流擋提供的電壓(或電流)的波形．通過圖像對比,了解什么是交變電流．演示實驗2:把兩個發光顏色不同的發光二極管并聯,注意使正負極的方向不同,連接到教學用發電機兩端,轉動手柄,兩個磁極之間的線圈隨著轉動,觀察發光二極管的發光情況,再進行物理建模,并加以分析．

筆者的嘗試:根據課本上的“做一做”欄目“搖繩能發電嗎”,結合本節課的教學內容、教學目標、學生的實際能力和水平,設計了如下的實驗情境:如何用自制的長約50 cm、寬約35 cm的大線圈產生電流?如何觀察到線圈中產生的電流的特點?學生們展開了熱烈的討論:利用地磁場,轉動線圈能產生電流;連接電流傳感器能觀察電流的特點．

兩個學生上臺演示,轉動線圈沒有產生電流．怎么回事?一石激起千層浪,學生們進入了白熱化的討論:為什么會沒有電流?是轉速太慢?還是學生站的位置不對?地磁場究竟是怎么分布的?應該怎樣轉動線圈才能產生感應電流……原來,只有當線圈中的磁通量發生變化或者線圈的部分導體切割磁感線時,才會產生感應電流．

兩位演示的學生根據地磁場的分布調整好了站立的位置,再轉動線圈,終于通過電流傳感器,觀察到了大小方向都在變化的電流．直流電、交變電流概念的構建水到渠成,同時又發現了新的疑問:產生的交變電流大致體現了周期性,線圈在地磁場中轉動為什么會產生周期性變化的電流?但變化得很不規律,主要是什么原因造成的呢?……

筆者的思考:為什么不像教材中那樣直接觀察干電池和學生電源的交流擋產生的電流,構建直流和交流的概念?不直接用教學發電機和二極管觀察現象進行物理建模及分析?因為,這樣的情景設置雖然同樣能構建物理概念和物理模型,但其中能生出的具有啟發學生思維的問題不夠多．課程標準要求“提高學生提出問題、分析問題和解決問題的能力,發展獨立獲取知識的能力”,而這種能力就是物理學科素養的核心．

我們通過用自制的大線圈利用地磁場產生電流的實驗情境,讓更多的學生參與到產生電流的整個過程中,期間會出現更多可發現問題、提出問題、引發更深層次思考并尋求解決方案的機會,讓學生在動態生成中充分理解了概念,也為構建發電機模型和進一步的深入分析打下了堅實的基礎,同時極大地激發了學生的學習本節內容的積極性和興趣,培養了學生的科學思維和科學探究的能力,讓物理學科核心素養落到了實處．

2 交變電流的產生

這部分涉及兩部分內容:物理建模和交變電流產生的原因分析．

物理建模的過程就是把實際的情境或問題,通過抓住主要矛盾忽略次要矛盾,將其簡化為容易分析和研究的物理模型．如何構建交流發電機的模型?學生結合上述演示實驗展開充分的討論,達成以下幾點共識: (1) 在小范圍內地磁場可看成勻強磁場．(2) 多匝線圈可簡化為單匝線圈．(3) 矩形線圈繞垂直于磁場的軸勻速轉動,如圖1(甲)所示．

筆者的做法:交變電流產生的分析,采用了教材上由感性到理性,由定性到定量,逐步深入的講述方法．為了更好地培養學生的發現問題、分析問題并能解決問題的科學思維能力,筆者進行了分組討論．學生討論交流后認為:

(1) 研究整個周期比較困難,先定性選擇幾個特殊的位置,進行分析研究，如圖1所示．

(2) 把三維空間(立體圖)轉換為二維截面圖(平面圖)會使問題研究變得更為簡單,思路更加清晰．學生分頭畫出這幾個特殊位置的平面圖,在平面圖的基礎上進行后續的分析．

在后續的分析討論環節中,筆者采用了問題鏈的方式引導學生,具體設置了如下問題:

(1) 如圖1(教材上的圖5.1-3)所示,根據學生畫出的對應的平面圖,分析矩形線圈由甲轉到乙的過程中,AB中的電流向哪個方向流動?由丙轉到丁的過程中呢?

圖1

(2) 當線圈轉到什么位置時線圈中沒有電流?轉到什么位置時電流最大?判斷的依據是什么?最大電流如何計算?這些位置的磁通量和磁通量的變化率等有什么特點?

(3) 大致畫出通過電流表的電流隨時間變化的曲線,從E流向F的電流為正,反之為負,在橫坐標上標出線圈到達甲、乙、丙、丁幾個位置時對應的時刻．

筆者的思考:關于交變電流產生的分析,筆者領會了教材編寫者的設計意圖,遵循一般的認知規律,由定性到定量、由特殊到一般、由淺入深、層層遞進．只是在物理建模和分析討論的過程中,通過合理的實驗情境和有梯度的問題設置,讓學生自己發現問題,引起強烈的思維沖突,教師適時抓住動態生成的問題,從高懸念向低懸念逐漸過渡,層層遞進,逐漸找到接近“發展區”的結合點,最大限度地調動學生的思維和學習自覺性,使學生能夠生動活潑、主動地發展,達到了預期教學效果,讓物理學科核心素養落到實處．

3 交變電流的變化規律的推導

關于交變電流規律的推導,教材上只有兩句話:“學生電源中的交變電流似乎是在按照正弦式函數的規律變化”,“對于教學用發電機,根據法拉第電磁感應定律可以導出,它的電動勢E隨時間的變化規律為E=Emsinωt”．這樣的敘述,顯然不能滿足不同層次學生的實際需求．

筆者的嘗試:根據自制大線圈實驗中觀察到電流以及畫出的電流隨時間變化的曲線,能做出初步的判斷:產生的電流具有周期性,而且有可能是正弦式函數．當然這只是一種猜想,還需要有力的證據．學生會自主發現:如果能得到線圈轉動過程中任意時刻的電動勢(或電流),就能獲得是否是正弦式函數的有力證據．

圖2

學生共同設置問題情境:勻強磁場磁感應強度為B,勻速轉動角速度為ω,AB、CD邊長為L1,AD、BC邊長L2,設線圈從圖1中甲位置(中性面)開始計時,經過時間t,如圖2所示,則

(1) 線圈平面與中性面的夾角是多少?如何用ω表達?

(2)AB邊的速度多大?

(3)AB邊的速度方向與磁場方向夾角多大?有效切割速度多大?

(4)AB邊產生的感應電動勢多大?

(5) 線圈中的感應電動勢多大?

本環節通過問題鏈的方式,引導學生進行理論推導,再推廣到n匝線圈,逐步得出公式E=Emsinωt.如果僅僅到此為止,那么對于學有余力的學生來說,就會造成極大的資源浪費．

于是可以拋出問題:以上的推導是從導體棒切割磁感線的角度推導的,而產生感應電動勢的根本原因是通過線圈的磁通量發生變化．如何利用磁通量和更具有普適性的法拉第電磁感應定律推導出任意時刻的感應電動勢?

筆者的思考:對于規律的推導,一定要根據學生的實際能力和水平,分層次因材施教．第一層次,從特殊到一般,通過分析平面圖,動手繪圖(速度分解圖),和精心設計的問題鏈,給予學生充分自主探究的時間,進行理論推導．這樣的處理,有利于培養學生解決復雜問題的能力．若直接給出結論,把功夫花在練習上,短期效果也許不錯,但絕不利于學生學科素養的提升．第二層次的推導確實比較困難,因為要涉及到導數的知識．但現在的中學數學課本中,已經有導數方面的知識,學生會求相關函數的導數,因此通過求導的方法來處理這個問題,既簡潔又嚴謹,不失為一種好方法,況且運用數學解決物理問題的能力也是學科素養的一個重要方面．這樣的設計,不僅兼顧到了不同認知水平的學生,真正做到了因材施教,也有助于學生多角度地深刻理解交變電流的產生及變化規律,有助于知識的聯系和整體把握,同時還開闊了學生的思路,有利于更好地落實物理學科核心素養．

4 習題的處理

前文說到不少教師撇開教材蔑視教材,其中最受冷遇的恐怕就是課本上的習題．總是覺得課本上的習題過于簡單,高考又不會考,迷信各種教輔資料上的“神題”,結果“神題”做不來,課本中習題又不做,造成基礎知識網絡千瘡百孔．實際上課本中不乏值得研究的具有啟發性的好題．

圖3

筆者的思考:物理課程目標強調:“經歷科學探究過程,認識科學探究的意義,嘗試應用科學探究的方法研究物理問題,驗證物理規律;通過物理概念和規律的學習過程,了解物理學的研究方法,認識物理實驗、物理模型和數學工具在物理學發展過程中的作用．”

物理習題不是不精彩,而是教師和學生都急功近利,造成學生眼高手低,忽視基礎,對課本題目不屑一顧．我們試圖剖析習題的思想和方法,讓教師看到習題在解決教學疑難點時所起的“鋪路搭橋”的作用,更讓學生看到“平凡中的不平凡”,在平凡中提煉出不平凡的思想方法．通過對復雜問題的研究,發現其實就是諸多基礎知識和基本思想方法的連綴和應用,環環相扣．如果有一個概念理解不清、一處信息提取不出或掌握不準確,就會出錯．讓學生真正認識到基本概念、基本規律、基本思想方法在物理學習中的重要性．

“用教材教”不是模式也不是方法,而是一種理念．如何在課堂上滲透這種理念,仁者見仁、智者見智．但應關注一個核心,就是充分發揮教材的范本作用,創造性地使用好教材,把編寫者的智慧和意圖,在新課程理念的指導下,因材施教地落實到對學生物理學科核心素養的提升上．

參考文獻：

1 馬素貞.樹立正確的教材觀[J].新課程(中學),2014(12):147.

2 劉慶高.淺談中學物理學科核心素養[J].中學物理教學參考,2016(3):21.